煤层气吸附及其地质意义

介绍了煤层气超临界吸附的基本特征及近年来煤层气吸附的行为与规律;对影响煤层气吸附的因素以及煤层气吸附模型在研究中所取得的成果进行了总结;分析了煤层气超临界吸附研究中存在的问题,在此基础上,指出煤层气超临界吸附规律、超临界吸附的热力学模型、动力学模型及量子化学模型等将是今后煤层气超临界吸附研究的重点。     

非平衡吸附模型在煤层气数值模拟中的应用

详细论述了煤层气在微孔中吸附、解吸以及由微孔到裂缝扩散的非平衡吸附模型,并将其与裂缝中的气-水两相渗流模型以源汇项的方式联合起来,建立煤层气数值模拟的耦合模型．利用此模型对实际煤层气孔的试验采气动态进行了生产史匹配．结果表明,在煤层气数值模拟中,应用非平衡吸附模型能够充分体现煤层气藏双重介质的性质及煤层气解吸后从微孔向裂缝扩散的时空过程,克服了平衡态模型把煤气层作为单孔隙介质,将微孔中气体浓度只看作是裂缝中压力的函数,而与时间无关的弱点,使数值模型更接近煤层气开发中解吸、扩散、渗流的实际过程,模拟和预测煤层气的开采动态,评价煤层气储量更准确、更可靠．     

我国煤层气超临界吸附的研究进展

概述了我国在煤层气超临界吸附方面的研究进展,从气体超临界吸附的特点及研究状况入手,分析了我国煤层气超临界吸附研究的现状,并在此基础上提出了研究中存在的不足及进一步的研究方向。     

吸附势理论在煤层气吸附解吸研究中的应用

以晋城无烟煤为研究对象,进行了30℃时煤对甲烷和氮气的吸附解吸试验。基于吸附特性曲线的唯一性特点,根据30℃甲烷的吸附解吸数据,以吸附势理论为依据,预测了50℃时甲烷的等温吸附曲线,结果表明预测曲线与实测曲线吻合良好,其预测值平均绝对误差为0.5 cm3/g,平均相对误差为3.12%。同时依据30℃时氮气和甲烷的吸附特性曲线,发现氮气和甲烷的吸附势对应压力在0.61 MPa时存在交点,表明压力低于0.61 MPa时氮气的吸附势高于甲烷的吸附势,此时注入氮气对提高煤层气的增产具有促进作用,这为煤储层在N2-ECBM(注氮增产法)过程中确定氮气的注气压力范围提供了初步的理论依据。     

我国煤层气超临界吸附的研究进展

概述了我国在煤层气超临界吸附方面的研究进展,从气体超临界吸附的特点及研究状况入手,分析了我国煤层气超临界吸附研究的现状,并在此基础上提出了研究中存在的不足及进一步的研究方向。     

低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性试验研究

液氮致裂煤层增透技术具有良好的发展前景,而针对低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性研究目前尚不完善,大部分研究处于初步研究阶段;为了对液氮冻融作用及试验初始温度作用下的煤体瓦斯吸附特性变化规律及变化趋势进行研究,选取新疆硫磺沟煤矿煤样作为研究对象,利用PCTPro高压气体吸附仪对试验煤样在不同液氮冻融时间(0、30、60、90、120 min)及不同试验初始温度(30、40、50、60、70℃)条件下的吸附特性进行了研究,得出了不同液氮冻融时间及不同试验初始温度条件下煤体瓦斯吸附量、吸附增量及煤体瓦斯饱和吸附量的变化,并根据试验结果选取了3种吸附理论模型对试验结果进行拟合,分析拟合效果对吸附理论进行优选。归纳煤体在2个变量影响下吸附特性的变化。研究结果表明:煤体瓦斯吸附量随液氮冻融时间增加而逐渐增大、随试验初始温度增大而逐渐减小;煤体瓦斯饱和吸附量随液氮冻融时间增加呈上升趋势、随试验初始温度增加呈下降趋势。在2个变量条件下进行不同理论模型拟合,结果表明Langmuir理论模型拟合效果最好,其拟合度最高,误差范围小; 2个变量影响条件下,Langmuir理论模型中吸附常数b无明显规律,其影响因...     

煤层气吸附与解吸可逆性实验研究

以等温吸附与解吸实验为手段,通过对不同变质程度的煤进行吸附/解吸等温线的测定,探讨煤层气吸附与解吸可逆性.实验结果分析发现:低阶煤煤样吸附/解吸曲线出现了明显的滞后环,吸附和解吸过程所回归a(Langmuir体积)值相差比较大,说明吸附与解吸吻合性差,对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性;中、高级煤吸附与解吸等温线具有很好的重合性,吸附与解吸过程所回归的a(Langmuir体积)值也比较接近,对甲烷的吸附和解吸表现出可逆性.该现象的发现,为煤层气开采参数的确定具有一定的意义.     

阳泉矿区3＃煤层气吸附—放散特性的实验研究

阳泉矿区是全国最大的无烟煤基地,主采煤层3＃煤层富含大量的煤层气,开采过程中煤层气涌出量较大,煤储层吸附－解吸特性是煤层气开放成败的关键因素之一,文章以实验为基础,研究了3＃煤层气的吸附－放散特性,实验表明3＃煤层气吸附过程是一个非常缓慢的过程,需要很长一段时间才能达到吸附平衡;3＃煤层气产气速率主要受裂隙中气体流动的限制,增加裂隙度,提高渗透率是3＃煤层气开发和利用最关键的环节。     

变压吸附法富集低体积分数含氧煤层气的研究

为了解决低体积分数含氧煤层气无法富集利用的问题,研究了甲烷体积分数为20%的煤矿抽排瓦斯的变压吸附富集过程。为了保证富集过程的安全,吸附过程中使用混合吸附剂,同时吸附甲烷和氧气,使得排放气和解吸气中甲烷和氧气体积分数都处在安全范围内。实验研究了吸附塔高径比、吸附时间、吸附剂比例、节流孔直径、反吹时间等对分离效果的影响。结果表明：在碳分子筛和活性炭作为混合吸附剂的体系中,其质量之比为3.4时可以将甲烷体积分数安全地提浓到30%以上,此时排放气中甲烷体积分数低于3%,氧气体积分数低于10%。     

阳泉矿区3~#煤层气吸附—放散特性的实验研究

阳泉矿区是全国最大的无烟煤基地。主采煤层 3#煤层富含大量的煤层气 ,开采过程中煤层气涌出量较大。煤储层吸附—解吸特性是煤层气开发成败的关键因素之一。文章以实验为基础 ,研究了 3#煤层气的吸附—放散特性 ,实验表明 3#煤层气吸附过程是一个非常缓慢的过程 ,需要很长一段时间才能达到吸附平衡 ;3#煤层气产气速率主要受裂隙中气体流动的限制。增加裂隙度 ,提高渗透率是 3#煤层气开发和利用最关键的环节     

声场作用下煤中甲烷解吸扩散的特性

为了深入研究超声波的机械振动效应、热效应、空化效应提高煤层气抽采率的机理,研制了可控声场作用下甲烷吸附、解吸试验系统。实验研究了不同频率的超声波、不同声强的声波作用下煤中甲烷的解吸特性,得出：不加声场与声场作用下煤中甲烷的解吸动力学特性一致,甲烷解吸全过程中,初始解吸速度较快,随时间的增加,解吸速度越来越慢,最终趋于0;声场作用下甲烷的解吸量增加了20%～90%,且解吸量随声强的增大而增大;煤中甲烷的扩散规律可用单一扩散模型描述,声场作用下传质毕欧准数减小,扩散系数增大,表明声场作用使煤体内部扩散阻力减小,传质速度加快,扩散能力增强,有利于煤中甲烷的解吸、扩散。     

声场作用下煤储层渗透性试验研究

利用自主研发的声场作用下煤层气渗流实验系统,实验研究了声场对煤储层渗流特性的影响。实验得出:不加声场下,煤体的渗透率随有效应力比、有效体应力的增加呈先减小后增大的趋势,渗透率初始快速降低,然后趋于平缓,最后增大;有效应力比恒定时,煤体的渗透率随有效体应力的增大而减小,最后趋于平缓;声场作用下煤体的渗透率大于无声场下,渗透率随声场作用时间的增加呈先增大后趋于稳定的趋势,且渗透率随声强的增加而增大,声场作用前后渗透率之比与声强呈线性关系;相同条件下,声场能促进煤层气扩散、运移,离震源越近,声场提高煤层渗透率效果越明显,因声波在煤层中传播发生衰减,声能降低,煤层气流量增量与距震源距离呈负指数关系。     

Research on propagation law of AE wave in coal seam

Based on mechanism of AE creation, put forward sphere cavity model, and deduced wave Equation of AE wave radiated by the AE source in detail, and analyzed the propagation attenuation law of AE stress wave in coal （rock） strata. Displacement function of AE wave indicates that displacement field can be divided into two parts. Firstly, displacement of particle is approaching to the source intensity function in zone near the AE source. Secondly, in zone far away from the AE source, displacement of particle is approaching to the derivative of source intensity function. AE wave changes gradually in the spreading process, and notable change of the wave form happens when wave propagates far away from the AE source.     

含氧煤层气在碳分子筛上的吸附动力学

为探究基于动力学分离效应的碳分子筛对含氧煤层气的吸附分离特性,对煤层气中CH4,N2,O2三种气体在两种商业碳分子筛（CMS-1,CMS-2）上的吸附动力学和平衡吸附特性开展了研究。结果表明：这两种碳分子筛对CH4的平衡吸附量均大于N2和O2,为甲烷选择性吸附剂;通过扩散模型的模拟和分析指出,采用分段微孔扩散模型能够很好地预测3种气体在碳分子筛上的动态吸附过程; CH4,N2,O2三种气体分别在Fc为0.5,0.6,0.7之前呈现较快的扩散速率,随后扩散速率明显变慢。CMS-1,CMS-2两种碳分子筛均存在动力学吸附特性和平衡分离特性相互抑制的现象,N2,O2与CH4的综合分离因子分别为5.84,18.75,4.20,16.82,表明这两种碳分子筛均具有较好的煤层气的脱氧浓缩性能。     

含瓦斯煤体声发射应力波传播规律理论研究

基于含瓦斯煤岩体属于固-气两相孔隙介质,运用经典的弹性动力学理论进行AE信号的传播分析不能准确反映含瓦斯煤层中的传播情况.提出了固-气耦合两相孔隙介质模型,进行了两相介质AE传播理论的初步研究,推导了固-气两相孔隙介质的本构关系和波动方程,对含瓦斯煤层中的AE应力波进行了理论分析.结果表明：含瓦斯煤体双相介质中的横波方程仍然保持单相介质中的传播形式;纵波方程发生明显改变.     

煤层气开发过程中渗透率动态变化规律及对产能的影响

依据弹性形变理论,建立了开发过程中煤储层渗透率应力敏感模型。根据兰格缪尔方程,建立了煤基质在解吸过程中渗透率反弹模型。综合渗透应力敏感和基质解吸渗透率反弹的研究成果,建立了开发过程中渗透率随地层压力变化的动态综合模型。研究结果显示:早期,渗透率以应力敏感为主,随着储层压力的降低渗透率降低;后期,渗透率反弹占主导地位,随着甲烷解吸和排出量的增加,渗透逐渐增大。根据对大量实际生产资料的分析,应力敏感在排水期、稳产期表现强烈;渗透率反弹主要发生在递减期,并且具有阶段性和多周期性。     

煤层甲烷等温吸附拟合模型

我国煤层气储量较为丰富,只有更好的了解等温吸附曲线,才能更好估计最大吸附量及采收率等。为了找到更为合适的拟合方程,对单层吸附理论的代表模型Langmuir方程和以微孔填充理论为基础的DR方程进行对比研究,并针对4种不同煤阶(Ro,max介于0.60%~3.18%)煤样吸附甲烷的数据进行了拟合。结果表明:对Langmuir方程中的VL,pL先计算后拟合,可以使两参数的物理意义更加准确,方程拟合更有意义;对DR方程中的V0进行计算,能够提高其他参数拟合的准确性;对DR方程中的p0,引用虚拟饱和蒸气压的概念,并对比5种计算方法,得出Amankwah法最为合适。通过对比Langmuir和DR方程发现,DR方程的拟合效果更好,与实际数据更接近。     

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。     

水力压裂过程中陶粒支撑剂运移规律及粒级配比优化北大核心

对比了传统石英砂与陶粒支撑剂在压裂过程中的运移情况,认为石英砂压裂产生的砂堤和悬砂区范围明显小于陶粒支撑剂,且造缝能力弱于陶粒;之后,采用物理实验与数值模拟相结合的方法研究了沁水盆地高河地区煤层气井QS01井在压裂过程中陶粒的运移规律及粒径配比。结果表明:在闭合压力相同时,大粒径陶粒的导流能力强于小粒径陶粒;大粒径陶粒随闭合压力增加导流能力下降速度变慢,说明大粒径陶粒在高闭合压力下仍得到了有效的支撑;250~380μm,380~1 000μm和830~1 400μm的陶粒配比为1∶6∶2时,平均支撑剂浓度最大,裂缝导流能力最高;粒径配比为3∶1∶2时,压裂裂缝长度与支撑缝长最大,导流能力最低;粒径配比为1∶1∶1时的压裂效果基本介于其它2种配比效果之间。因此,压裂过程中陶粒粒径配比建议选择1∶6∶2(250~380μm∶380~1 000μm∶830~1 400μm)。